王春英，賴夢琪

(嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東梅州 514015)

近年來，湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象呈多發(fā)狀態(tài)，雖然投入大量資金進(jìn)行治理，但收效并不理想，尤其是夏季水華和赤潮頻發(fā).磷是引起水體富營養(yǎng)化的限制因子，水體中的總磷濃度在0.015mg/L以上時(shí)，易引發(fā)富營養(yǎng)化現(xiàn)象［1］.水體中的磷來源分為外源性磷和內(nèi)源性磷［2，3］，外源性磷包括降水、人為排放等磷的輸入;內(nèi)源性磷則是來自水體內(nèi)部的磷，作為沉積物的底泥是湖泊中重要的內(nèi)源污染物，其磷的釋放對(duì)湖泊富營養(yǎng)化的影響不可忽視.因此，研究底泥中磷釋放的影響因素具有重要意義.

目前已有學(xué)者對(duì)底泥釋磷的機(jī)理進(jìn)行了研究，也有學(xué)者考察了溶解氧、pH、水溫等對(duì)某些水體底泥釋磷的影響因素［4－8］，但鮮有報(bào)道上覆水磷濃度、鋁鹽濃度對(duì)底泥釋磷的影響.本文選取梅州市文化公園景觀湖的底泥為研究對(duì)象，考察了上覆水初始磷濃度、鋁鹽濃度、水溫、pH、溶解氧濃度、水體擾動(dòng)等因素對(duì)底泥磷釋放的影響，對(duì)底泥釋磷情況進(jìn)行分析，旨在為控制水體中內(nèi)源磷的釋放提供理論依據(jù)，為水體富營養(yǎng)化的治理與控制提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 底泥來源

本研究所用底泥取自梅州文化公園景觀湖，采集的底泥在室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨成粉末后過60目篩，置于干燥器中待用.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

磷釋放實(shí)驗(yàn):將定量稱取的底泥與一定體積的去離子水或其他水樣在錐形瓶中混合，置于氣浴恒溫振蕩器(國華，ZD－85)上振蕩一定時(shí)間，經(jīng)泥水分離后測定上清液中總磷濃度.除溫度影響實(shí)驗(yàn)外，釋磷實(shí)驗(yàn)均在室溫25℃下進(jìn)行.

1.3 取樣分析

振蕩吸附所得混合液，經(jīng)離心機(jī)在4 000 r/min離心分離5 min，上層清液用鉬酸銨分光光度法測定總磷濃度，考察釋磷情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 水溫對(duì)底泥磷釋放的影響

水體溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化發(fā)生改變，為了考察水溫高低對(duì)磷釋放的影響，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):將等量稱取的1.00 0 g底泥投入裝有100 mL去離子水的碘量瓶，然后置于氣浴恒溫震蕩器，分別于10℃、20℃、30℃、40℃、50℃恒溫震蕩1 h，泥水分離后測定上清液中總磷的濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1 溫度對(duì)磷釋放的影響

從圖1來看，上清液中總磷濃度隨著溫度的升高逐漸升高，50℃時(shí)上清液總磷濃度較10℃時(shí)上清液總磷濃度升高了0.23 mg/L.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有:溫度影響磷酸鹽的溶解度，溫度升高使磷酸鹽的溶解度增大，破壞了磷在泥－水兩相中的平衡，底泥中的磷向水中釋放［6］;溫度升高使微生物活性增強(qiáng)，加速了有機(jī)質(zhì)的分解從而促進(jìn)了有機(jī)磷的釋放，同時(shí)有機(jī)質(zhì)分解消耗氧氣，導(dǎo)致氧化還原電位降低，促進(jìn)了Fe/Al－P的釋放［7］.這也可以解釋水體在溫度高的夏季容易出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象.

2.2 pH對(duì)底泥磷釋放的影響

pH直接影響氧化還原電位，影響鐵鹽和鋁鹽的存在形態(tài)，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)考察水樣pH對(duì)底泥釋磷的影響.將準(zhǔn)確稱取的底泥1.000g分別投入不同pH的100mL去離子水中(用NaOH和鹽酸溶液調(diào)節(jié)去離子水不同pH)，25℃震蕩1h，泥水分離后測定上清液中總磷的濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 pH對(duì)磷釋放的影響

從圖2來看，水溶液pH低于11時(shí)，上清液中磷的濃度低于0.32 mg/L，磷釋放的變化較小，并且水體在pH5～10范圍內(nèi)磷濃度低于0.22 mg/L;當(dāng)pH大于11時(shí)，上清液中總磷濃度迅速增大，pH 12時(shí)上清液中磷濃度達(dá)到1.70mg/L.出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)?當(dāng)pH值較低時(shí)，鈣結(jié)合態(tài)磷在酸性水體中溶解而釋放出部分磷;水的pH值較高時(shí)，OH－與可交換態(tài)磷的PO43－對(duì)底泥表面的吸附點(diǎn)位產(chǎn)生競爭，引起可交換態(tài)磷的是釋放［9］;當(dāng)上覆水在pH5～10范圍內(nèi)時(shí)，以正磷酸鹽形式存在的磷易與金屬陽離子結(jié)合而生成沉淀，向水中釋放的磷較少.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低或增高水體pH都有助于底泥磷的釋放，為抑制底泥中磷釋放到水體中，應(yīng)維持湖泊水體pH在5～10范圍內(nèi).

2.3 溶解氧對(duì)底泥磷釋放的影響

為了考察溶解氧對(duì)底泥釋磷的影響，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn):將準(zhǔn)確稱取的底泥1.00 0 g分別投入100 mL去離子水中，用空壓機(jī)進(jìn)行曝氣，控制空氣管路上閥門開啟程度，調(diào)節(jié)曝氣量大小，控制水樣在不同的溶解氧水平，1 h后測定上清液中總磷的濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 溶解氧對(duì)磷釋放的影響

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，上清液中總磷濃度隨著水中溶解氧濃度的升高而降低.水中溶解氧濃度為0.87 mg/L時(shí)，上清液總磷為0.34 mg/L;當(dāng)水中溶解氧濃度升高到4.57 mg/L時(shí)，上清液總磷降至0.15 mg/L，降低了56%;而溶解氧濃度升到7.78 mg/L時(shí)，上清液總磷僅為0.08 mg/L.可見水中溶解氧濃度對(duì)磷釋放的的影響很大，較高的溶解氧濃度可以抑制底泥中磷的釋放，較低的溶解氧則有利于底泥中磷的釋放.這可能是由于水中的溶解氧影響水－沉積物體系的氧化－還原狀態(tài)，進(jìn)而影響到鐵鹽的存在形態(tài):溶解氧濃度較高時(shí)鐵鹽以三價(jià)鐵離子形式存在，可以與磷生成磷酸鐵沉積下來，或者生成氫氧化鐵將水中的可溶性磷吸附而產(chǎn)生沉降［10］.通過向水中充氧曝氣，提高水體的溶解氧，抑制底泥中磷的釋放，預(yù)防或減少水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生.

2.4 水體擾動(dòng)對(duì)底泥磷釋放的影響

風(fēng)浪或人工活動(dòng)會(huì)引起水體擾動(dòng)，影響到底泥磷的釋放.為了考察水體擾動(dòng)對(duì)磷釋放的影響，將準(zhǔn)確稱取的底泥3.00 0 g投入300 mL去離子水中，攪拌并于不同時(shí)間取樣測定上覆水中的總磷濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)磷釋放的影響

從圖4來看，隨著攪拌時(shí)間的增加，上覆水中總磷濃度增加，并逐漸趨于平衡.當(dāng)攪拌10 min時(shí)，上覆水中總磷僅為0.14 mg/L;攪拌30 min時(shí)，上覆水中總磷濃度增加了50%，達(dá)到0.21 mg/L;當(dāng)攪拌時(shí)間延長至40、50 min時(shí)，上覆水中總磷濃度升高趨勢趨于平緩，磷釋放逐漸達(dá)到平衡.水體擾動(dòng)可以使底泥和上覆水充分接觸，促進(jìn)了泥水之間的界面交換［11］，加速了二者間磷濃度的平衡，影響底泥中磷的釋放.

2.5 水中初始磷濃度對(duì)底泥磷釋放的影響

向含有不同磷濃度的100mL水樣中分別投加1g底泥，25℃震蕩1h，泥水分離后測定上清液中總磷的濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖中C0為水樣初始磷濃度，△C為震蕩后水樣上清液中磷濃度較C0的增加值.

圖5 水樣初始磷濃度對(duì)磷釋放的影響

從圖5來看，上清液中磷濃度的增量隨其初始磷濃度的增加逐漸減少，當(dāng)水樣初始磷濃度為0.55 mg/L時(shí)，水樣的磷濃度增量為零，此時(shí)底泥未發(fā)生釋磷現(xiàn)象;水樣初始磷濃度高于0.55 mg/L時(shí)，水樣中磷濃度增量為負(fù)，水中的磷向底泥中轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)底泥的吸磷現(xiàn)象.可見上覆水體中磷濃度的大小直接影響底泥中磷的釋放，并且上覆水存在一個(gè)臨界磷濃度:當(dāng)上覆水磷濃度高于臨界值時(shí)，水體中的磷向底泥中轉(zhuǎn)移，底泥吸附磷;當(dāng)上覆水體中的磷低于臨界濃度時(shí)，底泥中的磷則釋放到水中.

2.6 鋁鹽對(duì)底泥磷釋放的影響

鐵鹽或鋁鹽可以與磷酸鹽生成不溶性磷酸鹽沉淀，改變磷在水或底泥中的存在形態(tài)，進(jìn)而影響到底泥磷的釋放.本文以AlCl3為例考察鋁鹽對(duì)底泥釋磷的影響:將準(zhǔn)確稱量的1.00 0 g底泥分別加入含有不同氯化鋁濃度的上覆水中，25℃震蕩1 h，泥水分離后測定上清液中總磷的濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 氯化鋁對(duì)磷釋放的影響

由圖6可以看出，水中鋁鹽濃度低于1.00 mg/L時(shí)，對(duì)底泥磷的釋放量沒有影響;水中鋁鹽濃度大于1.00 mg/L時(shí)，隨著鋁鹽濃度的升高，水中總磷濃度呈線性下降.可見鋁鹽能夠抑制底泥磷的釋放.這可能是因?yàn)殇X鹽與水中的磷形成AlPO4沉積到底泥中;也可能因?yàn)殇X鹽在水中生成Al(OH)3絮體吸附了水中的磷［12］，從而降低了水中磷的濃度.

2.7 實(shí)際水樣中底泥磷釋放情況

將雨水、沙井水、學(xué)生宿舍生活污水、周溪河水，各取100 mL投加1.00 0 g底泥，25℃震蕩1 h，泥水分離后測定上清液中總磷的濃度，計(jì)算投加底泥前后的磷濃度增量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7 實(shí)際水樣中底泥磷釋放情況

從圖7來看雨水、沙井水、周溪河水投加底泥后水樣中的總磷濃度增量為正值，表明了底泥中的磷向上覆水中轉(zhuǎn)移.其中自來水磷增量最大，底泥的釋磷量也最多;其次是雨水，釋磷量最小的是周溪河水;而宿舍生活污水的總磷濃度增量為負(fù)值，水樣中的磷向底泥中轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為底泥對(duì)磷的吸附.這種現(xiàn)象是由4種水樣的初始磷濃度值不同引起的，水樣初始磷濃度越低，釋磷量越大，與本文2.5節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.可見對(duì)富營養(yǎng)化水體單獨(dú)進(jìn)行換水或稀釋而不進(jìn)行底泥處理，對(duì)控制水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象作用很小甚至無任何作用.

5 結(jié)語

(1)水體擾動(dòng)、水溫升高會(huì)增加底泥中磷的釋放量.

(2)水中溶解氧濃度影響底泥中磷的釋放，較高的溶解氧濃度可以抑制磷的釋放，較低的溶解氧則有利于底泥中磷釋放;水中鋁鹽濃度大于1.00 mg/L時(shí)能夠抑制底泥中磷的釋放.

(3)底泥釋磷存在一個(gè)臨界濃度，當(dāng)上覆水中磷濃度高于臨界值時(shí)，底泥從水中吸附磷;當(dāng)水中的磷低于臨界濃度時(shí)，底泥向水中釋放磷.

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